Ugrás a tartalomhoz

Talajtan

Stefanovits Pál, Filep György, Füleky György

Mezőgazda Kiadó

Szilikátok

Szilikátok

Amint a szerves vegyületek sokasága és maga az élet annak köszönhető, hogy létezik szén–szén kötés, úgy a szervetlen világ, az ásványok és kőzetek világának sokféleségét a Si–O–Si kötés ténye biztosítja.

A szilíciumatom körül a négy oxigénatom tetraéderes elrendeződésben helyezkedik el. A tetraéder csúcsán elhelyezkedő oxigénatomok mindegyike képes egy másik tetraéder középpontjában elhelyezkedő szilíciumatomhoz kapcsolódni, vagy az oxigénatom másik negatív vegyértékét lekötő kationt magához láncolni. Ez a különböző szilikátok kialakulásának igen nagy variációs lehetőségét teremti meg. Aszerint, hogy az alapépítőkőnek, a tetraéder csúcsán levő oxigének közül hány kapcsolódik szomszédos tetraéderhez és így milyen mértani szabályosság alakul ki, megkülönböztetünk sziget-, lánc-, szalag-, réteg- és vázszilikátokat.

Szigetszilikátok

Az SiO4 tetraédereit az oxigénatomokhoz kötődő kationok választják el egymástól. Közéjük tartozik a bazaltokban előforduló olivin, melyben kétértékű vas- és magnéziumion van. Ugyancsak a szigetszilikátok csoportjába tartoznak a gránátok, melyek a vulkáni kőzetekből kimállva a talajok elsődleges ásványai között találhatók meg. Felépítésükben a kationoké a főszerep. A cirkonkation által alkotott szilikát, a cirkonásvány a homoktalajokban erősen fénylő ásványai által ismerhető fel, és a kvarctól már szabad szemmel is megkülönböztethető.

Láncszilikátok

A láncszilikátok csoportjában a tetraéderek két-két csúcsán elhelyezkedő oxigénatom közös a szomszédos tetraéderrel. Ide tartoznak a piroxének, melyekben vas- és a magnéziumkationok vannak. Andezit kőzetből jutnak a talajokba. Ha kationok közül kizárólag magnézium-kation van a szilikátban, ensztatit ásvány jön létre, mely a bázikus vulkáni kőzetek ásványa. Az augitcsoport ásványaiban a Ca-, Mg-, Fe-, Ti- és Al-kationok lehetnek, ami nagy változatosságot kölcsönöz ennek az ásványcsoportnak.

Szalagszilikátok

Felépítésében több tetraéderlánc kapcsolódik párhuzamosan. Ebben a csoportban a legfontosabb ásvány az amfiból, melyben a kationok ugyancsak változatosak, úgy mint az augitcsoport esetében. Az amfibólok igen gyakoriak az andezitekben, ezért a középhegységi talajok elsődleges ásványai között fontos szerepet töltenek be – mert mállásukkal tápelemeket köztük fontos mikroelemeket –, szabadítanak fel.

Rétegszilikátok

A rétegszilikátok csoportjában a tetraéderek egy sík mentén, hatszögeket alkotva kapcsolódnak egymáshoz. Ehhez a tetraédersíkhoz kapcsolódik ismét a közös oxigéneken keresztül egy másik sík, melynek mértani formája az oktaéder. Ez utóbbinak központi atomja Al-, Fe-, Mg-atom lehet a talajban előforduló ásványok esetében. Aszerint, hogy két vagy több rétegsík követi egymást, különböző ásványokat különböztetünk meg. A csillámok felépítésében két tetraéder-síkháló között egy oktaéderes elrendezésű sík alakul ki, melynek központi atomja alumíniumatom. A három rétegsíkból álló kötegeket a csillámok esetében káliumionok kötik össze és tartják szilárdan. A kálium-ionnak azért van itt kitüntetett szerepe, mert átmérője folytán éppen beleillik a tetraéderek oxigénatomjai által alkotott hatszögekbe, amelyekbe mint egy fészekbe besüllyed, és szilárd kötést hoz létre a két rácsköteg között.

A muszkovit kristályrácsában a rácskötegeket kálium köti össze, melynek mennyisége elérheti a 10–11% K2O-ban kifejezett káliummennyiséget. Ez a fehér csillám sokféle kőzetben és majd minden talajban előfordul, és a káliumtápanyag legfőbb forrását jelenti a növények számára. A biotit vagy fekete csillám a kálium mellett még magnéziumot és kétértékű vasat is tartalmaz. Könnyebben mállik mint a muszkovit, ezért szintén fontos tápanyagforrás. Mélységi és kiömlési vulkáni kőzetekben egyaránt előfordul. Homoktalajokban is megtalálható.

Agyagásványok

A rétegszilikátok közül a talajokban az agyagásványok fordulnak elő nagy számban. Egy részük a kőzetekből öröklött, például agyagos üledékek, márgák, palák anyagából, más részük az elsődleges ásványok mállása folyamán keletkezett. Mivel a mállás és a talajképződés elválaszthatatlan, az agyagásványokat úgy kell tekinteni, mint a talajra jellemző ásványokat. Fel kell hívni a figyelmet azonban arra, hogy a talaj agyagos része nem csak az agyagásványokból áll, hanem más kristályos vagy amorf ásványi részekből is. Másrészt előfordulhat, hogy az agyagásvány-kristályok mérete nagyobb, mint az agyag felső mérethatára, de ezek kivételes esetek. Az agyagásványokat, ugyanúgy mint a többi rétegszilikátot, feloszthatjuk kétrétegű és háromrétegű ásványok csoportjára, sőt vannak négyrétegű agyagásványok is (2.1. ábra).

2.1. ábra - A fontosabb rétegszilikát-csoportok kristályszerkezetének felépítése (oldalnézetben) BAILEY, 1980

kepek/2-1-abra.png


A kétrétegű agyagásványok, a kaolinit- vagy kanditcsoport ásványainak felépítésében egy tetraéder- és egy oktaédersík kapcsolódik egy rácsköteggé, majd ez ismétlődik több ezerszer. Mivel ebben a szerkezeti felépítésben minden tetraédersíkot egy oktaédersík követ, a kötegek egymáshoz kapcsolódása erős. A tetraéder központi atomja szilíciumatom, míg az oktaéder közepén alumíniumatom van. A helyettesítések gyakorisága csekély. A rácskötegek egymástól 7,15 Å (angström = 10-10m) távolságra ismétlődnek a röntgendiffrakciós vizsgálatok adatai szerint. A termikus görbéken 550 °C körül jelentkezik egy hőfelvétellel járó reakció endoterm csúcsa, és 980 °C-nál egy hőleadással járó átalakulás, egy exoterm csúcs.

A röntgendiffrakciós vizsgálatok azon alapulnak, hogy a röntgensugarak visszaverődnek a különböző rácskötegek és rácssíkok felületéről, ha a sugárforrást változó szögben bocsátjuk a vizsgálandó agyagásvány-preparátumra.

A termikus vizsgálatok lényege, hogy a vizsgálandó anyag egyenletes, szobahőfokról 1000 °C-ig történő melegítése az összehasonlításként szolgáló izzított alumínium-oxidhoz viszonyítva hőkülönbséget mutat, ha a vizsgálandó anyagban hőfelvétellel vagy hőleadással járó reakciók lépnek fel. Az ezzel párhuzamosan mért súlyveszteségi görbékkel az előbb ismertetett DTA-görbék (differenciális-termikus-analízis) jó információt adnak az agyagásvány minőségről (2.2. ábra).

2.2. ábra - Néhány fontosabb agyagásvány DTA-görbéje. 1-kaolinit, 2-halloyzit, 3-illit, 4-illit, (montmorillonit), 5-montmorillonit, 6-vermikulit, 7-klorit

kepek/2-2-abra.png


A kétrétegű ásványokat 1:1 típusú agyagásványoknak is nevezzük, mert bennük a tetraéder- és az oktaédersík aránya 1:1. Ezzel szemben a 2:1 típusú agyagásványok, például az illit-, a vermikulit- és a szmektitcsoport ásványaiban két tetraédersík zár közre egy oktaédersíkot.

Az illit rácskötegeit részben K-ionok kötik össze, de itt a kálium mennyisége kisebb, mint a valódi csillámokban, legfeljebb 3–4% K2O-nak megfelelő mennyiségben helyezkedik el a kötegek közötti térben. Az illitkötegek röntgenreflexiója 10 Å értéknél jelentkezik. A termikus görbéken a kezdeti vízleadás 200 °C-ig terjedő részén hőfelvételt mutató endoterm hullám jelentkezik, ami megfelel a kötött víz elpárologtatásához szükséges hőnek. Az 550 °C-nál mutatkozó második hőfelvétellel járó reakció a rácsszerkezetbe épült OH-ionokból keletkezett víz elpárolgásához szükséges hőmennyiség jele. Az illitben az egyes rácssíkok elemeinek központi atomjai részben helyettesíthetők, így a tetraéder szilíciuma helyére alumínium épülhet be, míg az oktaéder központi alumíniumát magnézium vagy vas helyettesítheti. Ezek a helyettesítések töltésnövekedéssel járnak, mert a Si4+ helyére Al3+ lép, ezért egy oxigénatom egyik vegyértéke szabadon marad, így a negatív töltések száma nagyobb lesz. Ugyanez a következménye annak, ha az oktaéder Al3+-ját Fe2+vagy Mg2+ cseréli ki.

A háromrétegű, 2:1 típusú agyagásványok másik csoportja a vermikulitcsoport. Nevét onnan kapta, hogy hevítve féregszerűen felduzzad (latin: vermes). Az oktaédersík központi atomja többségében Mg-atom, de a tetraédersík szilíciumát is részben alumínium helyettesíti. Az így képződő nagy számú negatív töltéstől nagy a kation-kicserélő képessége. A vermikulit trioktaéderes ásvány, ami azt jelenti, hogy az oktaédersík minden központi helye be van töltve, ellentétben a dioktaéderes ásványokkal, melyekben három oktaéder közül csak kettőnek van központi atomja, így minden harmadik oktaéder központi helye betöltetlen. A vermikulit röntgendiffrakciós vizsgálata 14 Å-nél mutat erős reflexiót, amely csúcsérték etilénglikolos duzzasztásra nem változik, de 335 °C-on hevítve a rács összeroskad, és 10 Å-ös reflexiót ad.

A háromrétegű agyagásványok harmadik csoportja a szmektitek csoportja. Itt is van helyettesítés a központi atomok helyén, de kisebb mértékben, mint a vermikulit esetében. A röntgen diffrakció 14 Å-ös csúcsértéke etilén-glikolos kezelésre 18 Å-re nő, míg 335 °C-os hevítésre 10 Å-re csökken. Ez a duzzadóképesség a vízzel szemben is megmutatkozik, ezért a szmektites talajok erősen repedezők és duzzadók. Kation-kicserélő képességük kisebb mint a vermikulité, de még mindig jelentős. Mivel a duzzadás következtében a rácsközi térben hidratált kationok és kis moltömegű szerves anyagok is megkötődhetnek, a szmektites talajok vízgazdálkodásán kívül tápanyag-gazdálkodásuk és humuszosodásuk is jellegzetes.

Ha a háromrétegű ásványok rácskötegközi pozícióiba Mg, Fe vagy Al épül be, amint e béepülés mértéke nő, rendezett állapotba megy át az oxidhidrátos anyag, ami oktaéderes konfigurációt jelent. Így két oktaédersík és két tetraédersík kapcsolódik egymáshoz, vagyis 2:1:1 arány lesz rájuk jellemző. Ezeket az ásványokat hívjuk kloritoknak.

A kloritcsoporton belül megkülönböztetünk elsődleges és másodlagos, duzzadó vagy talajkloritokat. Az elsődleges kloritok kristályos palák ásványai, melyekben a tetraédersíkban a Si-ot részben Al, az oktaédersíkban az Al-t részben Mg helyettesíti. Ha a második oktaédersík Mg(OH)2 kémiai összetételű brucitsíkból áll és ebben a Mg-ot Al helyettesíti, a negatív töltések egy része kiegyenlítődik, ezért a kloritok kation-kicserélő képessége kicsi. A röntgendiffrakció 14 és 7 Å-ön mutat reflexiót, ami az elsődleges kloritok esetében nem mutat duzzadást etilénglikol hatására, sem a 335 °C-os izzítás nem okoz változást. A duzzadó kloritok 14 Å-ös csúcsértéke etilénglikolos kezelés hatására 16–17 Å-re változik, ami hevítés következményeként visszaáll 14 Å-re.

A fontosabb agyagásványcsoportok néhány talajtanilag jellemző tulajdonságát a 2.1. táblázatban foglaltuk össze.

2.1. táblázat - A fontosabb agyagásványcsoportok néhány talajtanilag jelentős tulajdonsága

Agyagásvány

Kation-kicserélés

m.e./100 g

Duzzadás

Tapadás

Holtvíz

(%)

Kaolinit

1–10

5–10

Klorit

10–30

8–12

Illit

30–40

+

+

12–15

Szmektit

60–80

+++

+++

15–22

Vermikulit

100–150

++

++

 

Mint a táblázatból látható, az agyagásványok kation-kicserélő képességük és káliumtartalmuk alapján is megkülönböztethetők. Ezért a röntgendiffrakciós vizsgálatok és a termikus görbék mellett ezeket az adatokat is felhasználhatjuk az agyagásvány típusának meghatározásához, amint az a 2.3. ábrán látható.

2.3. ábra - A talajok rétegrácsos agyagásványainak jellemzése az agyagos rész T-értéke és káliumtartalma alapján. AVERY és BULLOCK, 1977.

kepek/2-3-abra.png


Az agyagásványok a talajokban ritkán fordulnak elő tiszta állapotban, legtöbbször vegyes rácsú ásványok kíséretében valamint ásványtársulásokban találhatók. Az egyes társulások országos elterjedését a 2.4. ábrán mutatjuk be.

2.4. ábra - A talajok agyagásvány-társulásainak térképe. STEFANOVITS, DOMBÓVÁRINÉ, 1985

kepek/2-4-abra.png


A talajok agyagos részében kivételesen olyan ásványok fordulnak elő, amelyek láncszerű kristályszerkezetet mutatnak. Ilyenek a szepiolit és a paligorszkit vagy más néven attapulgit. Ezek különböző víztartalmú magnézium-szilikátok. Ez utóbbiak porát növényvédő szerek hordozóanyagaként is használják.

Fontosak ezenkívül az agyagos rész nem kristályos, vagyis amorf alkotórészei, az allofánok és az imogolit. Összetételükben ugyancsak a kovasav az alumínium-oxidhidrátok vannak túlsúlyban, de ezek egymáshoz viszonyított aránya nem oly meghatározott, mint a kristályos agyagásványokban. Különösen vulkáni tufák gyors mállásakor képződött talajokban fordulnak elő. Röntgenamorfok, de nagy a kation-kicserélő kapacitásuk.

Vázrácsos vagy térrácsos szilikátok

A vázrácsos vagy térrácsos szilikátok csoportjához a kőzetek és a talajok igen fontos ásványai tartoznak. Szerkezeti felépítésükben a szilíciumoxid-tetraéderek minden oxigénje egy másik tetraéderrel közös, így a tér mindhárom irányában szabályos elrendezést mutatnak. A tetraéderek egy részében a szilíciumot alumínium helyettesíti, így lehetőség nyílik más kationok beépülésére a tetraéderek közötti térbe. Aszerint, hogy a beépülő kation Ca-, Na- vagy K-ion-e, megkülönböztetünk kalcium, nátrium és káliföldpátokat.

A plagioklászok kalcium- és nátriumföldpátok különböző arányú elegyéből állnak, melyek között folytonos az átmenet. A tiszta kalciumföldpátot anortitnak, a nátriumföldpátot albitnak nevezik. Ugyancsak folytonos az átmenet a kálium- és nátriumföldpátok között. A tiszta káliföldpátot ortoklásznak, mikroklinnak nevezik, melyek egymástól kristályszerkezetükben különböznek.

A vázrácsos szilikátok önálló csoportját alkotják a zeolitok, melyek nagy ioncsere-kapacitásukkal tűnnek ki. Ezt szerkezeti felépítésüknek köszönhetik, melyben olyan csatornák alakulnak ki, amelyek megkönnyítik az ionok ki- és belépését. Riolittufák mállása folyamán keletkeznek, különösen a Zempléni-hegység kőzeteiben és talajaiban gyakoriak. Főbb fajtáik a nátrolit, a chabazit, a klinoptilolit és a mordenit.

Annak érdekében, hogy a különböző szilikátásványok kőzetekben betöltött szerepét láttassuk, bemutatjuk a földkéreg kovasavtartalmú ásványainak megoszlását:

kvarc

18%,

földpátok

64%,

 

ebből:

plagioklász

42%,

 

ortoklász

22%,

piroxén és amfiból

9%,

csillámok

4%,

olivin

1,5%,

egyéb szilikátok

3,5%.

Ez az arány a talajokban jelentősen módosul, mert az elsődleges ásványok mállása folyamán agyagásványok képződnek.